基于擴展自適應融合算法的GILS進近系統(tǒng)研究

于　耕，宗　平

(1.沈陽航空航天大學 民用航空學院，沈陽　110136；2.沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，沈陽　110136)

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基于擴展自適應融合算法的GILS進近系統(tǒng)研究

于耕1，宗平2

(1.沈陽航空航天大學 民用航空學院，沈陽110136；2.沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，沈陽110136)

摘要：通過研究飛機在低可見視程條件下的進近問題，力圖充分利用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的能力，使機場在不需要更新陸基無線電導航系統(tǒng)的情況下從I類盲降標準提升到II類及以上的相同或可比擬的運行標準;通過對某航空公司飛行數據的分析,為提高飛機進場水平導航精度和空域利用率，提出了組合應用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GNSS(global navigation satellite system)和儀表著陸系統(tǒng)ILS(instrument landing system)的進近體制模型，即為GILS(GNSS and ILS)進近系統(tǒng);利用擴展自適應融合算法，將兩種導航源的定位數據融合，通過數學建模，仿真模擬飛機進近航跡;仿真和實際驗證試飛數據表明，該方案可有效提高飛機的水平導航精度和空域利用率，有潛力將CAT I標準提升為類CAT II水平。

關鍵詞：GNSS；ILS；GILS進近系統(tǒng)；擴展自適應融合算法

0引言

飛行過程中最困難和復雜的過程是進近和著陸。在低能見度的條件下，若缺乏必要的進近手段和程序引導，飛機降落將是極為危險的作業(yè)。當能見度為零時，機組無法建立目視參考，必須按照CAT II標準實施降落程序。這種情況下，需要飛機飛行控制系統(tǒng)聯(lián)合著陸/引導系統(tǒng)實施自動著陸或精密進近程序。這種類型的程序由儀表著陸系統(tǒng)ILS(instrument landing system)提供了數十年。無線電頻率干擾、擁堵和建設難度持續(xù)增加等諸多因素促使國際民用航空組織ICAO(international civil aviation organization)尋找可以替代ILS的精密進近系統(tǒng)[1]。

對于中國民航而言，結合中國國情，不能一次性終止ILS的使用，需要一個過渡階段。為此，本文提出將ILS導航源和全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GNSS(global navigation satellite system)導航源的優(yōu)勢相結合[2-3]，基于擴展自適應融合算法，實現(xiàn)一個非常精確和可靠的進近引導體制，本文稱為GILS(GNSS and ILS)組合進近系統(tǒng)。

1進近系統(tǒng)模型

GILS組合進近系統(tǒng)包含兩個不同的數據來源，分別是ILS導航數據和機載接收機的GNSS數據。從ILS地面設備的更新頻率是20 Hz，機載端GNSS的更新頻率為1 Hz。在這項研究中，本文將提出一種方案，將這兩個測量源得到的數據轉移到機載處理器，用GNSS的數據校正ILS數據，計算飛機下一時刻的位置坐標，并傳輸到飛機自動駕駛儀。數據傳輸給自動駕駛儀的頻率通常設定為16 Hz。組合進近系統(tǒng)如圖1所示：

圖1　GILS進近系統(tǒng)框圖

在該系統(tǒng)模型中，機載處理器需對飛機的進近過程進行建模。定義ILS程序為狀態(tài)量，GNSS程序為觀測量?；诖?，本文旨在利用GNSS的數據修正ILS的數據，且需保證校正結果區(qū)域收斂，本文提出一種新的自適應濾波算法，稱為擴展自適應融合算法。

自適應濾波是一種具有抑制濾波器發(fā)散作用的濾波方法，它在濾波計算過程中，一方面利用觀測值不斷修正預測值，同時也對系統(tǒng)模型參數和噪聲參數進行修正和估計。

2擴展自適應融合算法

每架次飛機都有ILS程序下的標準航圖，本文的研究是基于波音737-800飛機由深圳飛往武夷山03號跑道的試飛驗證數據，參照其標準進近航圖，如圖2所示。

圖2　ILS進近航圖(波音737-800)

圖2中的坐標點是基于WGS-84坐標系，需將其轉換為跑道直角坐標系，坐標原點是指跑道入口點RW03C，設該點的直角坐標為(0,0)；X軸正方向是原點指向WY424(N273100 E1180100)；Y軸垂直于X軸，正方向是原點指向進近過程的右側方向。

本文將標準航跡點的坐標定義為GNSS的理論值，將實際飛行的坐標定義為GNSS的實際值，利用理論值與實際值的差值的β倍來校正ILS的飛行引導，達到兩個數據源融合的目的。這里β的獲取，通過自適應濾波器的遞推關系求得[4-6]，當濾波器趨于穩(wěn)定時得到的β值，對飛機進近起到最優(yōu)的引導作用。本文稱該算法為擴展自適應融合算法。

2.1融合算法介紹

圖3　算法示意圖

(1)

(2)

(3)

其中符號函數sgn滿足的條件如式(4)所示：

(4)

通過實驗分析，可知，任意飛行點距離標準航跡的絕對距離所對應的單位向量保持一致，僅用符號函數sgn加以區(qū)別即可。當預估計點位于標準航跡左側即為正，反之，為負。

本文中，設每次對預估計點的偏離誤差校正β倍，則可得校正向量如式(5)所示：

(5)

根據向量的求和公式，對飛機的飛行航跡進行校正后的航線向量如式(6)所示：

(6)

由此對飛機下一時刻的ILS位置進行校正，得飛機實際飛行航跡點位置坐標Xi+1=(xi+1,yi+1)如式(7)所示：

(7)

飛機進近過程中，飛行速度是不斷減小的，機載端可實時采集速度矢量，考慮便于仿真，設飛機速度的大小保持不變，只改變其方向。飛機下一時刻的速度更新，如式(8)所示：

(8)

2.2融合算法分析

飛機按照ILS程序引導進近的過程中，飛行管理計算機FMS(flight management computer)輸出的數據是充分考慮飛機的安全著陸及乘客的舒適度等因素，權衡各方面的影響，將最優(yōu)坐標數據傳輸到自動駕駛儀。

充分考慮乘客的舒適度，分析ILS自動駕駛儀對飛機的進近引導數據，圖1中的θ不能發(fā)生驟變，Δθ不大于90°(經驗分析值)，設波音737-800飛機飛行中的最小轉動角度為θmin，則可得θ的約束條件如公式所示，用于自適應濾波器中β值的選定。

(9)

擴展自適應融合算法如圖4所示。

圖4擴展自適應融合算法框圖

3試飛驗證結果及分析

在進近過程中，機組將主要注意力分配在飛行儀表上DOTS顯示上，而DOTS值是通過水平精度間接而得。本文主要研究基于擴展自適應融合算法的GILS組合進近系統(tǒng)，即利用GNSS數據校正ILS數據，實現(xiàn)精密導航。所采用的測試環(huán)境以MATLAB軟件平臺為基礎。實驗論證基于某航空公司的波音737-800飛機由深圳飛往武夷山03號跑道的試驗數據。如圖5和圖6所示。

圖5　航跡比較示意圖

圖6　進近偏差比較示意圖

通過分析仿真結果可知，ILS自動駕駛儀的飛行誤差是有規(guī)律分布的，當飛機偏離標準航跡線較遠時，偏離誤差將發(fā)生跳變，之后誤差將線性變化。

圖6中A線表示GILS進近偏差，可知GILS組合進近系統(tǒng)利用擴展自適應融合算法，可使偏離誤差逐漸減小，直至收斂，逼近零，具有提高水平導航精度的能力。并且避免了誤差跳變，更好得提高了乘客的舒適度。

另外一面，由圖5可得，GILS組合進近系統(tǒng)下的飛行航跡波動更小，相同飛行速度的條件下，大大節(jié)約飛機進近的時間。

4結論

本文基于擴展自適應融合算法實現(xiàn)了GILS組合導航系統(tǒng),將兩個導航源的數據擬合成一組精度和可靠性更高的飛行航跡。

通過仿真驗證，該模型可以有效地提高飛機進近過程的水平導航精度，有潛力將CAT I標準提升為類CAT II水平。并且可有效縮短飛機進近時間，提高了空域利用率。由于飛行航跡更加平滑，乘客的舒適度得到很好改善。

參考文獻：

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Research on GILS Approach System Based on Extended Adaptive Fusion Algorithm

Yu Geng1, Zong Ping2

(1.School of Civil Aviation, Shenyang Aerospace University, Shenyang110136, China;2.School of Electronic Information Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang110136,China)

Abstract:This paper gave a research on approach in the low visibility conditions, making full use of Global Navigation Satellite System which was autonomously controlled by our country to help the airports without updating the ground-based radio navigation equipment from Instrument Landing System Category I to Category II of the same on analogous operational standards. According to analyze the flight data of an airline, in order to improve the accuracy of the aircraft approach and the use of space zones, It introduced the model of differential Global Navigation Satellite System (GNSS) integrating with Instrument Landing System (ILS), to be considered as GILS (GNSS and ILS) approach system. It will employ the extended adaptive fusion algorithm to combine the location data of this two kinds of navigation source. It will simulate the approach path by mathematical modeling. Both the simulation and the actual flight data show this scheme can effectively improve the aircraft’s lateral navigation accuracy and the use of space zones and also has the potential to promote CAT I to CAT II.

Keywords:GNSS; ILS; GILS approach system; extended adaptive fusion algorithm

文章編號：1671-4598(2016)02-0290-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.080

中圖分類號：V241.62+5

文獻標識碼：A

作者簡介：于耕(1973-)，男，陜西咸陽人，工學博士，教授，主要從事空中交通管理與航空移動通信方向的研究。

基金項目：國家自然科學基金(U1433115);中航工業(yè)產學研協(xié)同創(chuàng)新專項(CXY2012SH16);中國航天科技集團公司衛(wèi)星應用科研創(chuàng)新基金項目(2014_CXJJ-TX_12)。

收稿日期：2015-09-14；修回日期：2015-10-08。